WO2019117053A1 - 分析装置、診断方法およびプログラム記録媒体 - Google Patents

分析装置、診断方法およびプログラム記録媒体 Download PDF

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裕文 井上
宗一朗 高田
茂樹 篠田
菊池 克
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日本電気株式会社
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01N3/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • GPHYSICS
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N2203/0262Shape of the specimen
    • G01N2203/0274Tubular or ring-shaped specimens

Definitions

  • the present invention relates to an analyzer for diagnosing the condition of piping, a diagnostic method, and a program.
  • Patent Document 1 discloses a method of measuring the thickness of piping in a plant such as nuclear power generation or thermal power generation.
  • the method of Patent Document 1 uses an active sensor in which an electromagnet oscillator that sweeps and outputs within a predetermined frequency band and an optical fiber sensor that detects a dynamic distortion of an object to be measured are integrated. Further, in the method of Patent Document 1, an active sensor is attached to a pipe, and an ultrasonic wave or vibration designated at a frequency predetermined between 0 and 10 MHz in the thickness direction of the pipe is input, and the input ultrasonic wave or vibration is input. To detect the reflected wave or its composite wave.
  • Patent Document 2 discloses an inspection method for inspecting a deterioration state of a buried pipe.
  • it is obtained by performing an impact elastic wave test on a test pipe and parameters obtained from a force-deformation relation showing a relation between external force applied to the test pipe and deformation of the test pipe generated thereby.
  • the correlation with the impact elastic wave test data to be obtained is determined.
  • the impact elastic wave measurement data of the pipe to be inspected measured by the impact elastic wave test is evaluated. Determine the degree of deterioration of the pipe to be inspected quantitatively.
  • Patent Document 1 it is possible to inspect pipe thinning or corrosion by measuring the thickness of the object to be measured based on the resonance of the detected ultrasonic wave or vibration signal by the pipe.
  • the method of Patent Document 1 there is a problem in that the actual deterioration state of the pipe can not be accurately grasped because the material property of the pipe is not taken into consideration.
  • the degree of deterioration of the pipe to be inspected can be inspected with high accuracy without being affected by the burial environment.
  • the degree of deterioration of the pipe to be inspected is determined based on the correlation between the parameters obtained from the force-deformation relationship obtained in advance and the impact elastic wave measurement data of the pipe to be inspected. That is, in the method of Patent Document 2, there is a problem that the diagnostic accuracy is not sufficient because the degree of deterioration of the pipe to be inspected is determined using the parameter obtained from the force-deformation relationship obtained indirectly.
  • An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide an analyzer capable of estimating the deterioration state of a pipe with a sufficient diagnostic accuracy.
  • An analyzer calculates a material property of a pipe to be inspected based on measurement information including a load applied to the pipe to be inspected and a displacement according to the load applied to the pipe to be inspected.
  • the characteristic calculation means includes: a deterioration degree calculation unit that calculates the deterioration degree of the inspection target pipe based on the material characteristic of the inspection target pipe calculated by the material characteristic calculation unit.
  • the material characteristic of the pipe to be inspected is calculated based on measurement information including the load applied to the pipe to be inspected and the displacement according to the load applied to the pipe to be inspected.
  • the degree of deterioration of the pipe to be inspected is calculated based on the calculated material properties of the pipe to be inspected.
  • a program is a process for calculating material properties of a pipe to be inspected based on measurement information including a load applied to the pipe to be inspected and a displacement according to the load applied to the pipe to be inspected And causing the computer to execute a process of calculating the degree of deterioration of the pipe to be inspected based on the calculated material properties of the pipe to be inspected.
  • the diagnostic system which can estimate the deterioration state of piping with sufficient diagnostic accuracy can be provided.
  • FIG. 1 is a conceptual view showing a configuration of a diagnosis system 1 of the present embodiment.
  • the diagnostic system 1 comprises at least an analysis device 10.
  • the analyzer 10 is connected to a measuring device 30 that measures the material properties of the pipe 100.
  • the analyzer 10 acquires information on the material properties of the pipe 100 from the measuring device 30.
  • the diagnostic system 1 may include the measuring device 30.
  • the analyzer 10 includes a material property calculation unit 11 and a deterioration degree calculation unit 12.
  • the material property calculation unit 11 (also referred to as material property calculation means) acquires measurement information on the material property of the pipe 100 from the measurement device 30.
  • the material property calculation unit 11 calculates the material property of the pipe 100 based on the measurement information acquired from the measurement device 30. In other words, the material property calculation unit 11 calculates the material property of the pipe 100 based on the measurement information including the load applied to the pipe 100 to be inspected and the displacement according to the load applied to the pipe 100.
  • the material property calculation unit 11 outputs the calculated material property of the pipe 100 to the deterioration degree calculation unit 12.
  • the deterioration degree calculation unit 12 acquires the material characteristic of the pipe 100 from the material characteristic calculation unit 11.
  • the deterioration degree calculation unit 12 compares the acquired material property of the pipe 100 with the material property of the pipe 100 at the normal time, and calculates the deterioration degree of the pipe 100 based on the difference between them. In other words, the deterioration degree calculation unit 12 calculates the deterioration degree of the pipe 100 based on the material property of the pipe 100 calculated by the material property calculation unit 11.
  • the deterioration degree of the pipe 100 calculated by the deterioration degree calculation unit 12 is transmitted to an external system or a display device.
  • the degree of deterioration transmitted to an external system or display device is provided as display information to a manager who manages the pipe 100 or the like.
  • the measuring device 30 has a load measuring device 31 and a displacement measuring device 32.
  • the load measuring instrument 31 measures the load applied to the pipe 100.
  • the displacement measuring device 32 measures the displacement of the pipe 100.
  • the measuring device 30 transmits, to the analyzing device 10, load information on the load measured by the load measuring device 31 and displacement information on the displacement of the pipe 100 measured by the displacement measuring device 32.
  • the diagnosis system of the present embodiment calculates the degree of deterioration of the pipe to be inspected including the material characteristics. Therefore, according to the diagnosis system of the present embodiment, the deterioration state of the pipe can be calculated with sufficient diagnosis accuracy.
  • FIG. 2 is a conceptual view showing the configuration of the diagnosis system 2 of the present embodiment.
  • the diagnostic system 2 at least includes an analysis device 20 and a storage device 50.
  • the diagnostic system 2 may include the measuring device 30.
  • the measuring device 30 attaches
  • the analyzer 20 includes a material property calculation unit 21, a tube stiffness variable estimation unit 22, a tensile strength estimation unit 23, and a deterioration degree calculation unit 24.
  • the material property calculation unit 21 acquires load information applied to the pipe 100 to be inspected and displacement information of the pipe 100.
  • the material property calculation unit 21 calculates the material property of the pipe 100 using the acquired load information and displacement information.
  • the material property calculation unit 21 outputs the calculated material property of the pipe 100 to the pipe stiffness variable estimation unit 22.
  • the material property calculation unit 21 acquires, as load information, the pressure by the fluid flowing through the inside of the pipe 100 and the earth pressure from the buried soil from the measuring device 30.
  • the material property calculation unit 21 may also acquire the pressure artificially applied to the pipe 100 from the measuring device 30 as load information.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the pipe 100 which is partially deteriorated.
  • a normal part is described as a healthy part 110
  • a part where deterioration is observed is described as a deteriorated part 120.
  • a load P is applied in the radial direction from two points on the outer surface which is in point symmetry with respect to the center O of the cross section circle of the pipe 100.
  • loads P are applied from both sides of the pipe 100 so as to make an angle ⁇ Load with respect to a reference line L R passing through the center O of the cross-sectional circle of the pipe 100.
  • the measured data of the load applied to the direction of the center O from both sides of the pipe 100 so as to form the angle ⁇ Load with respect to the reference line L R and the measured data of the displacement of the pipe 100 at that time Load information and displacement information can be obtained.
  • the angle ⁇ Load at which measurement is performed may be set at only one position or may be set at a plurality of positions.
  • measurement may be performed at equal intervals, or partial measurement may be performed.
  • the measurement may be divided into a plurality of times, and as a result of measurement, a portion with a large displacement may be measured more closely.
  • FIG. 4 is a diagram for describing an example of calculating material characteristics for a tube whose cross section is circular.
  • the radial displacement w of the pipe which is generated when the load P is applied from both sides of the pipe made of uniform material and thickness is calculated.
  • the tube stiffness K can be defined by the following equation 2.
  • the pipe rigidity K at the circumferential position ⁇ is determined by the elastic modulus E, the wall thickness t, and the radius R of the pipe 100.
  • the wall thickness t and the modulus of elasticity E are expressed as a function of the circumferential position ⁇ of the tube.
  • an average thickness t ave and an elastic coefficient E ave can be obtained using the measurement value of the pipe rigidity K.
  • the thickness t e ( ⁇ ) which is an estimated value of the space distribution of the pipe stiffness variable and the elasticity
  • the coefficient E e ( ⁇ ) is obtained.
  • the thickness t e ( ⁇ ) and the elasticity are measured using measurement results of a plurality of points.
  • the coefficient E e ( ⁇ ) can be estimated.
  • the pipe stiffness variable estimation unit 22 estimates the pipe stiffness variable of the piping 100 using the material characteristic of the piping 100 calculated by the material characteristic calculation unit 21.
  • the pipe stiffness variable estimation unit 22 refers to the pipe stiffness variable in normal time of the pipe 100 measured in advance, and applies the referenced pipe stiffness variable to the pipe stiffness model 221 to estimate an estimated value of the pipe stiffness variable.
  • the tube stiffness variable estimation unit 22 includes a tube stiffness model 221 and a curve fitting unit 222. Curve fitting is the determination of a curve that best fits the experimentally obtained data or constraints.
  • Tube rigid model 221 circumferential position theta applying a load P, the tube stiffness variable theta alpha healthy portion 110, tube rigidity variables theta beta degradation unit 120, the estimated value of the tube rigid variables theta beta, circumferential direction of the deteriorated part 120 It can be expressed as K ( ⁇
  • the tube stiffness model 221 can be calculated using Equation 6 from the displacement in the radial direction obtained by the Rayleigh method, where the trial function is acos ⁇ .
  • the parameter f on the right side of Equation 6 can be obtained by Equation 7.
  • the pipe rigidity variable ⁇ ⁇ of the healthy part may be stored in the pipe information storage unit 51 as a value described in the specification drawing.
  • the curve fitting unit 222 is a tube stiffness variable in which an error between the tube stiffness calculated using the load and displacement included in the measurement information of the tube 100 and the tube stiffness calculated using the tube stiffness model 221 is minimized.
  • Estimate the estimate ⁇ e ⁇ of the curve fitting unit 222 uses the tube stiffness K exp ( ⁇ ) calculated from the measurement value and the tube stiffness model K ( ⁇
  • the curve fitting unit 222 obtains the circumferential position ⁇ 1 , ⁇ 2 of the deteriorated portion and the estimated value ⁇ e ⁇ of the tube stiffness variable using a non-linear optimization method such as the Levenberg-Marquardt method.
  • FIG. 5 and FIG. 6 are diagrams for explaining the pipe stiffness K exp ( ⁇ ) calculated from the measured values and the pipe stiffness model K ( ⁇
  • the curve fitting unit 222 calculates the circumferential dependence of the tube stiffness calculated using the tube stiffness K exp ( ⁇ ) calculated using load and displacement and the tube stiffness model K ( ⁇
  • the circumferential position ⁇ 1 , ⁇ 2 of the degraded portion 120 and the estimated value ⁇ e ⁇ of the tube stiffness variable are determined so as to minimize the error of
  • the tensile strength estimation unit 23 estimates the tensile strength of the pipe 100 using the pipe stiffness variable estimated by the pipe stiffness variable estimation unit 22.
  • the tensile strength estimation unit 23 refers to the strength information storage unit 52 and determines the tensile strength of the pipe 100 based on the correlation between the tube stiffness variable ⁇ ⁇ and the tensile strength, which is acquired in advance using the test pipe. presume. For example, as shown in FIG. 7, the correlation between the modulus of elasticity E, which is one of the tube stiffness variables obtained using the test tube, and the tensile strength ⁇ max is determined, and the strength estimation equation created from the correlation The tensile strength ⁇ max of the pipe 100 can be estimated by using
  • the deterioration degree calculation unit 24 calculates the deterioration degree of the pipe 100 using the tensile strength estimated by the tensile strength estimation unit 23. For example, the deterioration degree calculation unit 24 calculates the difference between the calculated tensile strength ⁇ 2 and the tensile strength ⁇ 1 at normal time as the deterioration degree L d using the following equation 9. Incidentally, the deterioration degree calculating section 24, and the calculated tensile strength sigma 2 and the tensile strength sigma 1 of the rate of change of normal may be calculated as the deterioration degree of L d.
  • the storage device 50 includes a tube information storage unit 51 and a strength information storage unit 52.
  • the tube information storage unit 51 stores the tube stiffness variable ⁇ ⁇ of the sound unit 110 based on the design specification and the like.
  • the tube information storage unit 51 is referred to when the tube stiffness variable estimation unit 22 creates the tube stiffness model 221.
  • the intensity information storage unit 52 correlation is tube rigidity variables theta beta and tensile strength obtained using the previously subjected ⁇ are stored.
  • the strength information storage unit 52 is referred to when the tensile strength estimation unit 23 estimates the tensile strength ⁇ max from the estimated value ⁇ ⁇ of the pipe stiffness variable.
  • FIG. 8 is a flow chart for explaining a diagnosis method of a pipe to be inspected by the diagnosis system 2 of the present embodiment.
  • the diagnostic system 2 will be described as the subject of the operation.
  • the diagnosis system 2 applies a load P to the pipe 100, and measures the displacement w of the pipe 100 due to the load P being applied (step S11). For example, the diagnostic system 2 applies the load P while changing the circumferential position ⁇ of the pipe 100 and measures the displacement w of the pipe 100 according to the load P.
  • the diagnosis system 2 calculates the pipe stiffness K exp ( ⁇ ) using the load P and the displacement w measured for each circumferential position ⁇ (step S12).
  • the diagnostic system 2 curve-fits the tube stiffness K exp ( ⁇ ) and the tube stiffness model K ( ⁇
  • the diagnosis system 2 refers to the pipe stiffness variable ⁇ ⁇ of the sound unit 110 stored in the pipe information storage unit 51.
  • the diagnostic system 2 uses the estimated value ⁇ ⁇ of the tube stiffness variable of the degradation unit 120 and the correlation between the tube stiffness variable stored in the strength information storage unit 52 and the tensile strength to determine the tensile strength ⁇ max. Is estimated (step S14).
  • the diagnostic system 2 calculates the degree of deterioration L d using the estimated tensile strength ⁇ max (step S15).
  • FIG. 9 is a graph in which the relationship between the rate of change in elastic modulus and the rate of change in wall thickness is plotted with respect to the pipe stiffness of the pipe to be inspected.
  • the degraded area is filled.
  • pipe deterioration depends on both wall thickness and elastic modulus. Therefore, in order to correctly grasp the state of deterioration, information of both thickness and elastic modulus is required.
  • the thickness of the pipe can be obtained by using the method disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-071741), information on material properties such as elastic modulus can not be obtained. For example, in the case where the rate of change in thickness is 0% and the rate of change in elastic coefficient is -30%, it is estimated from the change rate of elastic coefficient that the pipe is deteriorated. However, in the method of Patent Document 1, since the deterioration state of the pipe is determined only by the change rate of the wall thickness of the pipe, it is determined that the pipe is normal.
  • the method of the present embodiment it is possible to estimate the wall thickness and elastic modulus of the deteriorated portion of the pipe by using the pipe rigidity space distribution obtained from the load and displacement applied to the pipe and the pipe rigidity model. . Therefore, according to the method of the present embodiment, it is possible to correctly grasp the deterioration state of the pipe.
  • the deterioration state of the pipe can be correctly diagnosed by using the space distribution of pipe rigidity calculated based on the measurement information of the load and displacement applied to the pipe. .
  • FIG. 10 a hardware configuration for realizing the diagnostic system according to each embodiment of the present invention will be described by taking the computer 90 of FIG. 10 as an example.
  • the computer 90 in FIG. 10 is a configuration example for realizing the diagnostic system of each embodiment, and does not limit the scope of the present invention.
  • the computer 90 includes a processor 91, a main storage 92, an auxiliary storage 93, an input / output interface 95, and a communication interface 96.
  • the interface is abbreviated as I / F (Interface).
  • the processor 91, the main storage unit 92, the auxiliary storage unit 93, the input / output interface 95 and the communication interface 96 are communicably connected to each other via a bus 99.
  • the processor 91, the main storage device 92, the auxiliary storage device 93, and the input / output interface 95 are connected to a network such as the Internet or an intranet via the communication interface 96.
  • the processor 91 deploys the program stored in the auxiliary storage device 93 or the like in the main storage device 92, and executes the deployed program.
  • a software program installed in the computer 90 may be used.
  • the processor 91 executes processing by the diagnostic system according to the present embodiment.
  • the main storage device 92 has an area in which a program is expanded.
  • the main storage device 92 may be, for example, a volatile memory such as a dynamic random access memory (DRAM).
  • a non-volatile memory such as a magnetoresistive random access memory (MRAM) may be configured and added as the main storage device 92.
  • DRAM dynamic random access memory
  • MRAM magnetoresistive random access memory
  • the auxiliary storage device 93 stores various data.
  • the auxiliary storage device 93 is configured by a local disk such as a hard disk or a flash memory. If possible, various data may be stored in the main storage unit 92, and the auxiliary storage unit 93 may be omitted.
  • the input / output interface 95 is an interface for connecting the computer 90 and peripheral devices.
  • the communication interface 96 is an interface for connecting to an external system or device through a network such as the Internet or an intranet based on standards and specifications.
  • the input / output interface 95 and the communication interface 96 may be common as an interface connected to an external device.
  • the computer 90 may be configured to connect input devices such as a keyboard, a mouse, and a touch panel as necessary. Those input devices are used to input information and settings. Note that in the case where the touch panel is used as an input device, the display screen of the display device may also serve as an interface of the input device. Data communication between the processor 91 and the input device may be mediated by the input / output interface 95.
  • the computer 90 may also be equipped with a display device for displaying information.
  • the computer 90 is preferably provided with a display control device (not shown) for controlling the display of the display device.
  • the display device may be connected to the computer 90 via the input / output interface 95.
  • the computer 90 may be equipped with a disk drive as needed.
  • a disk drive is connected to the bus 99.
  • the disk drive mediates reading of a data program from the recording medium, writing of the processing result of the computer 90 to the recording medium, and the like between the processor 91 and a recording medium (program recording medium) (not shown).
  • the recording medium can be realized by an optical recording medium such as a CD (Compact Disc) or a DVD (Digital Versatile Disc).
  • the recording medium may be realized by a semiconductor recording medium such as a Universal Serial Bus (USB) memory or a Secure Digital (SD) card, a magnetic recording medium such as a flexible disk, or a recording medium of another system.
  • USB Universal Serial Bus
  • SD Secure Digital
  • the above is an example of the hardware configuration for enabling the diagnostic system according to each embodiment of the present invention.
  • the hardware configuration of FIG. 10 is an example of the hardware configuration for executing the arithmetic processing of the diagnostic system according to each embodiment, and does not limit the scope of the present invention.
  • a program that causes a computer to execute the process related to the diagnostic system according to each embodiment is also included in the scope of the present invention.
  • a program recording medium recording the program according to each embodiment is also included in the scope of the present invention.
  • the components of the diagnostic system of each embodiment can be arbitrarily combined. Furthermore, the components of the diagnostic system of each embodiment may be implemented by software or circuits.
  • each component is described as being implemented by one device, but the implementation means is not limited thereto. That is, each component may be physically separated or logically separated.

Abstract

配管の劣化状態を十分な診断精度で見積もるために、検査対象配管に加えられた荷重と、検査対象配管に加えられた荷重に応じた変位とを含む計測情報に基づいて検査対象配管の材料特性を算出する材料特性算出手段と、材料特性算出部によって算出された検査対象配管の材料特性に基づいて検査対象配管の劣化度を算出する劣化度算出部とを有する分析装置とする。

Description

分析装置、診断方法およびプログラム記録媒体
 本発明は、配管の状態を診断する分析装置、診断方法およびプログラムに関する。
 先進国では、公共施設の老朽化が社会問題となっている。例えば、水や石油、ガスなどの資源を輸送する配管網においては、耐用年数を超えて使用されているものも多く、劣化に伴う流体漏洩や配管の破裂などの事故が問題となっている。このような事故を未然に防ぐために、作業者が目視によって配管の外観検査を行っている。しかしながら、実際の配管は、内面が腐食することもあるので、外観のみならず内部の状態も考慮して診断を行う必要がある。
 特許文献1には、原子力発電や火力発電などのプラントにおける配管の厚み測定方法について開示されている。特許文献1の方法では、予め定められた周波数帯域内を掃引して出力する電磁石発振器と、測定対象物の動的歪みを検出する光ファイバセンサとが一体化されたアクティブセンサを用いる。また、特許文献1の方法では、アクティブセンサを配管に取付け、配管の厚み方向に0~10メガヘルツの間で予め定められた周波数に指定した超音波または振動を入力し、入力した超音波または振動の反射波またはその合成波を検出する。
 特許文献2には、埋設管の劣化状態を検査する検査方法について開示されている。特許文献2の方法では、供試管に外部から加える力とそれによって発生する供試管の変形との関係を示す力-変形関係から得られるパラメータと、供試管に衝撃弾性波試験を行うことにより得られる衝撃弾性波試験データとの相関関係を求めておく。特許文献2の方法では、力-変形関係から得られるパラメータと衝撃弾性波試験データとの相関関係に基づいて、衝撃弾性波試験によって実測した検査対象管の衝撃弾性波測定データを評価して、検査対象管の劣化度合を定量的に判定する。
特開2010-071741号公報 特開2006-038598号公報
 特許文献1の方法によれば、検出した超音波または振動信号の配管による共振に基づいて測定対象物の厚みを測定することによって、配管の減肉や腐食を検査できる。しかしながら、特許文献1の方法では、配管の材料特性を考慮していないため、実際の配管の劣化状態を正確には把握できないという問題点があった。
 特許文献2の方法によれば、埋設環境に影響されずに、検査対象管の劣化度合を高精度で検査することができる。ところで、特許文献2の方法では、予め求めておいた力-変形関係から得られるパラメータと、検査対象管の衝撃弾性波測定データとの相関関係に基づいて検査対象管の劣化度合いを判定する。すなわち、特許文献2の方法では、間接的に求めた力-変形関係から得られるパラメータを用いて検査対象管の劣化度合いを判定するため、診断精度が十分ではないという問題点があった。
 本発明の目的は、上述した課題を解決し、配管の劣化状態を十分な診断精度で見積もることができる分析装置を提供することにある。
 本発明の一態様の分析装置は、検査対象配管に加えられた荷重と、検査対象配管に加えられた荷重に応じた変位とを含む計測情報に基づいて検査対象配管の材料特性を算出する材料特性算出手段と、材料特性算出部によって算出された検査対象配管の材料特性に基づいて検査対象配管の劣化度を算出する劣化度算出部とを備える。
 本発明の一態様の診断方法においては、検査対象配管に加えられた荷重と、検査対象配管に加えられた荷重に応じた変位とを含む計測情報に基づいて検査対象配管の材料特性を算出し、算出された検査対象配管の材料特性に基づいて検査対象配管の劣化度を算出する。
 本発明の一態様のプログラムは、検査対象配管に加えられた荷重と、検査対象配管に加えられた荷重に応じた変位とを含む計測情報に基づいて検査対象配管の材料特性を算出する処理と、算出された検査対象配管の材料特性に基づいて検査対象配管の劣化度を算出する処理とをコンピュータに実行させる。
 本発明によれば、配管の劣化状態を十分な診断精度で見積もることができる診断システムを提供できる。
本発明の第1の実施形態に係る診断システムの構成を示す概念図である。 本発明の第2の実施形態に係る診断システムの構成を示す概念図である。 本発明の第2の実施形態に係る診断システムが用いる荷重情報を取得するために配管に荷重を加える例を示す概念図である。 本発明の第2の実施形態に係る診断システムが用いる管剛性について説明するための概念図である。 本発明の第2の実施形態に係る診断システムが用いる管剛性の空間分布の管剛性モデルを推定するための配管の状態の一例を示す概念図である。 本発明の第2の実施形態に係る診断システムが用いる管剛性の空間分布の実測データと管剛性モデルの推定例を示す概念図である。 本発明の第2の実施形態に係る診断システムが用いる弾性係数と引張強度の相関関係の一例を示すグラフある。 本発明の第2の実施形態に係る診断システムの動作について説明するためのフローチャートである。 本発明の第2の実施形態に係る診断システムの効果について説明するための管剛性の変化率の肉厚と弾性係数の変換率依存性を示すグラフである。 本発明の各実施形態に係る診断システムのハードウェア構成例を示すブロック図である。
 以下に、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお、以下の実施形態の説明に用いる全図においては、特に理由がない限り、同様箇所には同一符号を付す。また、以下の実施形態において、同様の構成・動作に関しては繰り返しの説明を省略する場合がある。また、図面中の矢印の向きは、一例を示すものであり、ブロック間の信号の向きを限定するものではない。
 (第1の実施形態)
 まず、本発明の第1の実施形態に係る診断システムについて図面を参照しながら説明する。
 図1は、本実施形態の診断システム1の構成を示す概念図である。診断システム1は、分析装置10を少なくとも備える。分析装置10は、配管100の材料特性を計測する計測装置30に接続される。分析装置10は、配管100の材料特性に関する情報を計測装置30から取得する。なお、診断システム1は、計測装置30を含んでもよい。
 図1のように、分析装置10は、材料特性算出部11と、劣化度算出部12とを備える。
 材料特性算出部11(材料特性算出手段とも呼ぶ)は、配管100の材料特性に関する計測情報を計測装置30から取得する。材料特性算出部11は、計測装置30から取得した計測情報に基づいて、配管100の材料特性を算出する。言い換えると、材料特性算出部11は、検査対象の配管100に加えられる荷重と、配管100に加えられる荷重に応じた変位とを含む計測情報に基づいて配管100の材料特性を算出する。材料特性算出部11は、算出した配管100の材料特性を劣化度算出部12に出力する。
 劣化度算出部12(劣化度算出手段とも呼ぶ)は、材料特性算出部11から配管100の材料特性を取得する。劣化度算出部12は、取得した配管100の材料特性を正常時の配管100の材料特性と比較し、それらの差分に基づいて配管100の劣化度を算出する。言い換えると、劣化度算出部12は、材料特性算出部11によって算出された配管100の材料特性に基づいて配管100の劣化度を算出する。
 例えば、劣化度算出部12によって算出された配管100の劣化度は、外部のシステムや表示装置に送信される。外部のシステムや表示装置に送信された劣化度は、配管100を管理する管理者などに表示情報として提供される。
 計測装置30は、荷重計測器31と変位計測器32とを有する。荷重計測器31は、配管100に加わっている荷重を計測する。変位計測器32は、配管100の変位を計測する。計測装置30は、荷重計測器31によって計測された荷重に関する荷重情報と、変位計測器32によって計測された配管100の変位に関する変位情報とを分析装置10に送信する。
 以上のように、本実施形態の診断システムは、材料特性を含めて検査対象の配管の劣化度を算出する。そのため、本実施形態の診断システムによれば、配管の劣化状態を十分な診断精度で算出することができる。
 (第2の実施形態)
 次に、本発明の第2の実施形態の診断システムについて図面を参照しながら説明する。
 図2は、本実施形態の診断システム2の構成を示す概念図である。診断システム2は、分析装置20と、記憶装置50とを少なくとも備える。なお、診断システム2は、計測装置30を含んでもよい。なお、計測装置30は、第1の実施形態と同様の構成であるため、同じ符号を付す。
 図2のように、分析装置20は、材料特性算出部21と、管剛性変数推定部22と、引張強度推定部23と、劣化度算出部24とを備える。
 材料特性算出部21は、検査対象の配管100に加えられる荷重情報と、配管100の変位情報とを取得する。材料特性算出部21は、取得した荷重情報および変位情報を用いて配管100の材料特性を算出する。材料特性算出部21は、算出した配管100の材料特性を管剛性変数推定部22に出力する。
 例えば、材料特性算出部21は、配管100の内部を流通する流体による圧力や埋設土壌からの土圧を荷重情報として計測装置30から取得する。また、材料特性算出部21は、配管100に人為的に加えられた圧力を荷重情報として計測装置30から取得してもよい。
 ここで、配管100の荷重情報および変位情報を取得する方法の一例について、図面を参照しながら説明する。図3は、一部が劣化した配管100の断面図である。これ以降、配管100に関して、正常な部位を健全部110、劣化が見られる部位を劣化部120と記載する。
 例えば、図3の断面図において、配管100の断面円の中心Oに対して点対称な位置関係にある外面上の二点から中心Oに向けて半径方向に荷重Pを加える。図3の例では、配管100の断面円の中心Oを通る基準線LRに対して角度θLoadをなすように、配管100の両側から荷重Pが加えられる。基準線LRに対して角度θLoadをなすように配管100の両側から中心Oの向きに加えた荷重の計測データと、そのときの配管100の変位の計測データとを用いれば、配管100の荷重情報および変位情報を得ることができる。計測を行う角度θLoadは、一カ所だけ設定されてもよいし、複数箇所設定されてもよい。また、複数の箇所で計測を行う場合には、均等間隔に計測してもよいし、一部分を重点的に計測してもよい。例えば、計測を複数回に分け、計測した結果、変位が大きい部分をより密に計測するようにしてもよい。
 ここで、材料特性算出部21による材料特性の算出方法について一例を挙げて説明する。図4は、断面が円形状の管について材料特性を算出する例について説明するための図である。図4の例では、均一な材質および厚みからなる管の両側から荷重Pを加えた際に生じる管の半径方向の変位wを算出する。
 図4のように均一の材質、厚みからなる管の両側から荷重Pが加えられた際に生ずる管の半径方向の変位wは、以下の式1で求められる。ただし、式1において、Rは配管半径、Eは管の弾性係数、Iは断面二次モーメント、θは基準線LRに対する角度(周方向位置とも呼ぶ)である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
 式1をフックの法則の形式に表し、断面二次モーメントをIとすると、以下の式2によって管剛性Kを定義できる。周方向位置θにおける管剛性Kは、配管100の弾性係数E、肉厚t、および半径Rによって決定される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
 一般に、肉厚tおよび弾性係数Eは、肉厚t(θ)および弾性係数E(θ)のように、管の周方向位置θの関数として表される。計測点が一点の場合には、管剛性Kの計測値を用いて平均的な肉厚taveと弾性係数Eaveが得られる。それに対し、計測点が複数点の場合には、管剛性Kの計測値と管剛性モデル221とを用いることにより、管剛性変数の空間分布の推定値である肉厚te(θ)および弾性係数Ee(θ)が得られる。
 例えば、図3のように配管100が、周方向位置θ1~θ2の範囲で局部的に劣化している場合には、複数点の計測結果を用いて肉厚te(θ)および弾性係数Ee(θ)を推定できる。
 管剛性変数推定部22は、材料特性算出部21によって算出された配管100の材料特性を用いて配管100の管剛性変数を推定する。例えば、管剛性変数推定部22は、予め測定された配管100の正常時の管剛性変数を参照し、参照した管剛性変数を管剛性モデル221に当てはめて管剛性変数の推定値を推定する。管剛性変数推定部22は、管剛性モデル221と曲線適合部222とを含む。曲線適合とは、実験的に得られたデータまたは制約条件に最もよく当てはまるような曲線を求めることである。
 管剛性モデル221は、荷重Pを加える周方向位置θ、健全部110の管剛性変数θα、劣化部120の管剛性変数θβ、管剛性変数の推定値Θβ、劣化部120の周方向位置θ1、θ2の関数として、K(θ|θαβ)のように表現できる。健全部110の管剛性変数θα、劣化部120の管剛性変数θβ、および管剛性変数の推定値Θβのそれぞれは、以下の式3~式5の角括弧内に示すパラメータを含む。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
 例えば、管剛性モデル221は、試行関数をacosθとし、レイリー法(Rayleigh法)で求めた半径方向の変位から式6を用いて計算できる。ただし、式6の右辺のパラメータfは、式7で求められる。なお、健全部の管剛性変数θαは、仕様図面に記載された値を管情報記憶部51に記憶しておけばよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
 曲線適合部222は、配管100の前記計測情報に含まれる荷重および変位を用いて算出される管剛性と、管剛性モデル221を用いて算出される管剛性との誤差が最小となる管剛性変数の推定値Θを推定する。例えば、曲線適合部222は、計測値から算出される管剛性Kexp(θ)と、管剛性モデルK(θ|θαβ)とを用いて、以下の式8を満たす劣化部の周方向位置θ1、θ2と、管剛性変数の推定値Θとを得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
 例えば、曲線適合部222は、Levenberg-Marquardt法等の非線形最適化手法を用いて、劣化部の周方向位置θ1、θ2と管剛性変数の推定値Θとを求める。
 図5および図6は、計測値から算出される管剛性Kexp(θ)と、管剛性モデルK(θ|θαβ)について説明するための図である。
 図5の劣化部120を含む配管100に対して、周方向に一定の間隔で荷重および変位を計測する。そして、荷重および変位を用いて算出される管剛性Kexp(θ)と、管剛性モデルK(θ|θαβ)を用いて算出される管剛性の周方向依存性とを重ねてプロットすると図6が得られる。
 曲線適合部222は、荷重および変位を用いて算出される管剛性Kexp(θ)と、管剛性モデルK(θ|θαβ)を用いて算出される管剛性の周方向依存性との誤差が最小となるように、劣化部120の周方向位置θ1、θ2と管剛性変数の推定値Θとを求める。
 引張強度推定部23は、管剛性変数推定部22によって推定される管剛性変数を用いて配管100の引張強度を推定する。言い換えると、引張強度推定部23は、強度情報記憶部52を参照し、予め供試管を用いて取得しておいた管剛性変数θβと引張強度の相関関係に基づいて配管100の引張強度を推定する。例えば、図7のように、供試管を用いて取得された管剛性変数の一つである弾性係数Eと引張強度σmaxとの相関関係を求めておき、その相関関係から作成した強度推定式を用いることによって、配管100の引張強度σmaxを推定できる。
 劣化度算出部24は、引張強度推定部23によって推定される引張強度を用いて配管100の劣化度を算出する。例えば、劣化度算出部24は、以下の式9を用いて、算出した引張強度σ2と正常時の引張強度σ1との差分を劣化度Ldとして算出する。なお、劣化度算出部24は、算出した引張強度σ2と正常時の引張強度σ1の変化率などを劣化度Ldとして算出してもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
 記憶装置50は、管情報記憶部51と強度情報記憶部52とを有する。
 管情報記憶部51には、設計仕様等に基づいた健全部110の管剛性変数θαが記憶される。管情報記憶部51は、管剛性変数推定部22が管剛性モデル221を作成する際に参照される。
 強度情報記憶部52には、予め供試管を用いて取得された管剛性変数θβと引張強度の相関関係が記憶される。強度情報記憶部52は、引張強度推定部23が管剛性変数の推定値Θβから引張強度σmaxを推定する際に参照される。
 以上が、本実施形態の診断システム1の構成についての説明である。続いて、診断システム2による検査対象配管の診断方法について図面を参照しながら説明する。
 (動作)
 図8は、本実施形態の診断システム2による検査対象配管の診断方法について説明するためのフローチャートである。なお、図8のフローチャートに沿った説明においては、診断システム2を動作の主体として説明する。
 まず、診断システム2は、配管100に荷重Pを加え、荷重Pが加えられたことによる配管100の変位wを計測する(ステップS11)。例えば、診断システム2は、配管100の周方向位置θを変えながら荷重Pを加え、荷重Pに応じた配管100の変位wを計測する。
 次に、診断システム2は、周方向位置θごとに計測された荷重Pと変位wとを用いて、管剛性Kexp(θ)を算出する(ステップS12)。
 次に、診断システム2は、管剛性Kexp(θ)と管剛性モデルK(θ|θαβ)とを曲線適合させることによって、劣化部120の周方向位置(θ1、θ2)と管剛性変数の推定値Θβとを求める(ステップS13)。診断システム2は、管剛性モデル221を作成する際に、管情報記憶部51に記憶された健全部110の管剛性変数θαを参照する。
 次に、診断システム2は、劣化部120の管剛性変数の推定値Θβと、強度情報記憶部52に記憶された管剛性変数と引張強度との相関関係とを用いて、引張強度σmaxを推定する(ステップS14)。
 そして、診断システム2は、推定した引張強度σmaxを用いて劣化度Ldを算出する(ステップS15)。
 以上が、図8のフローチャートに沿った診断システム2による検査対象配管の診断方法についての説明である。
 図9は、検査対象の配管の管剛性に関して、弾性係数の変化率と、肉厚の変化率との関係をプロットしたグラフである。図9のグラフにおいては、劣化している領域を塗りつぶしている。図9のグラフに示すように、配管の劣化は、肉厚と弾性係数の双方に対して依存する。そのため、劣化状態を正しく把握するためには肉厚と弾性係数の両方の情報が必要となる。
 一般的な配管の劣化状態の診断方法においては、配管の外観を目視によって検査する。配管の劣化状態は、配管内部の肉厚変化や弾性係数等の材料特性の変化にも表れる。そのため、配管の診断は、目視検査のみでは不十分である。
 特許文献1(特開2010-071741号公報)に開示された方法を用いても配管の肉厚を得られるが、弾性係数等の材料特性の情報は得られない。例えば、肉厚の変化率が0%、弾性係数の変化率が-30%の場合、弾性係数の変化率から配管が劣化しているものと推定される。しかしながら、特許文献1の手法では、配管の肉厚の変化率だけで配管の劣化状態を判定するため、配管が正常であると判定されてしまう。
 一方、本実施形態の手法によれば、配管にかかる荷重と変位から得られる管剛性の空間分布と管剛性モデルを用いることによって、配管の劣化部の肉厚や弾性係数を推定することができる。そのため、本実施形態の手法によれば、配管の劣化状態を正しく把握することができる。
 以上のように、本実施形態の手法によれば、配管に加わる荷重と変位の計測情報に基づいて算出される管剛性の空間分布を用いることによって、配管の劣化状態を正しく診断することができる。
 (ハードウェア)
 ここで、本発明の各実施形態に係る診断システムを実現するハードウェア構成について、図10のコンピュータ90を一例として挙げて説明する。なお、図10のコンピュータ90は、各実施形態の診断システムを実現するための構成例であって、本発明の範囲を限定するものではない。
 図10のように、コンピュータ90は、プロセッサ91、主記憶装置92、補助記憶装置93、入出力インタフェース95および通信インタフェース96を備える。図10においては、インタフェースをI/F(Interface)と略して表記する。プロセッサ91、主記憶装置92、補助記憶装置93、入出力インタフェース95および通信インタフェース96は、バス99を介して互いにデータ通信可能に接続される。また、プロセッサ91、主記憶装置92、補助記憶装置93および入出力インタフェース95は、通信インタフェース96を介して、インターネットやイントラネットなどのネットワークに接続される。
 プロセッサ91は、補助記憶装置93等に格納されたプログラムを主記憶装置92に展開し、展開されたプログラムを実行する。本実施形態においては、コンピュータ90にインストールされたソフトウェアプログラムを用いる構成とすればよい。プロセッサ91は、本実施形態に係る診断システムによる処理を実行する。
 主記憶装置92は、プログラムが展開される領域を有する。主記憶装置92は、例えばDRAM(Dynamic Random Access Memory)などの揮発性メモリとすればよい。また、MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)などの不揮発性メモリを主記憶装置92として構成・追加してもよい。
 補助記憶装置93は、種々のデータを記憶する。補助記憶装置93は、ハードディスクやフラッシュメモリなどのローカルディスクによって構成される。可能ならば、種々のデータを主記憶装置92に記憶させる構成とし、補助記憶装置93を省略してもよい。
 入出力インタフェース95は、コンピュータ90と周辺機器とを接続するためのインタフェースである。通信インタフェース96は、規格や仕様に基づいて、インターネットやイントラネットなどのネットワークを通じて、外部のシステムや装置に接続するためのインタフェースである。入出力インタフェース95および通信インタフェース96は、外部機器と接続するインタフェースとして共通化してもよい。
 コンピュータ90には、必要に応じて、キーボードやマウス、タッチパネルなどの入力機器を接続するように構成してもよい。それらの入力機器は、情報や設定の入力に使用される。なお、タッチパネルを入力機器として用いる場合は、表示機器の表示画面が入力機器のインタフェースを兼ねる構成とすればよい。プロセッサ91と入力機器との間のデータ通信は、入出力インタフェース95に仲介させればよい。
 また、コンピュータ90には、情報を表示するための表示機器を備え付けてもよい。表示機器を備え付ける場合、コンピュータ90には、表示機器の表示を制御するための表示制御装置(図示しない)が備えられていることが好ましい。表示機器は、入出力インタフェース95を介してコンピュータ90に接続すればよい。
 また、コンピュータ90には、必要に応じて、ディスクドライブを備え付けてもよい。例えば、ディスクドライブは、バス99に接続される。ディスクドライブは、プロセッサ91と図示しない記録媒体(プログラム記録媒体)との間で、記録媒体からのデータ・プログラムの読み出し、コンピュータ90の処理結果の記録媒体への書き込みなどを仲介する。例えば、記録媒体は、CD(Compact Disc)やDVD(Digital Versatile Disc)などの光学記録媒体で実現できる。また、記録媒体は、USB(Universal Serial Bus)メモリやSD(Secure Digital)カードなどの半導体記録媒体や、フレキシブルディスクなどの磁気記録媒体、その他の方式の記録媒体によって実現してもよい。
 以上が、本発明の各実施形態に係る診断システムを可能とするためのハードウェア構成の一例である。なお、図10のハードウェア構成は、各実施形態に係る診断システムの演算処理を実行するためのハードウェア構成の一例であって、本発明の範囲を限定するものではない。また、各実施形態に係る診断システムに関する処理をコンピュータに実行させるプログラムも本発明の範囲に含まれる。さらに、各実施形態に係るプログラムを記録したプログラム記録媒体も本発明の範囲に含まれる。
 各実施形態の診断システムの構成要素は、任意に組み合わせることができる。また、各実施形態の診断システムの構成要素は、ソフトウェアによって実現してもよいし、回路によって実現してもよい。
 また、各実施形態の説明において利用したブロック図や概念図は、ハードウェア単位の構成ではなく、機能単位のブロックを示す。これらの図において、各構成要素は1つの機器により実現されるよう記載されているが、その実現手段はこれに限定されない。すなわち、各構成要素は、物理的に分かれた構成であっても、論理的に分かれた構成であっても構わない。
 以上、実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
 この出願は、2017年12月15日に出願された日本出願特願2017-240475を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
 10、20  分析装置
 11、21  材料特性算出部
 12、24  劣化度算出部
 22  管剛性変数推定部
 23  引張強度推定部
 30  計測装置
 31  荷重計測器
 32  変位計測器
 50  記憶装置
 51  管情報記憶部
 52  強度情報記憶部
 221 管剛性モデル
 222 曲線適合部

Claims (10)

  1.  検査対象配管に加えられる荷重と、前記検査対象配管に加えられる荷重に応じた変位とを含む計測情報に基づいて前記検査対象配管の材料特性を算出する材料特性算出手段と、
     前記材料特性算出手段によって算出された前記検査対象配管の前記材料特性に基づいて前記検査対象配管の劣化度を算出する劣化度算出手段とを備える分析装置。
  2.  前記分析装置は、
     前記材料特性算出手段によって算出された前記検査対象配管の材料特性を用いて前記検査対象配管の管剛性変数を推定する管剛性変数推定手段と、
     前記管剛性変数推定手段によって推定される前記管剛性変数を用いて前記検査対象配管の引張強度を推定する引張強度推定手段とを有し、
     前記劣化度算出手段は、
     前記引張強度推定手段によって推定される前記引張強度を用いて前記検査対象配管の前記劣化度を算出する請求項1の分析装置。
  3.  前記管剛性変数推定手段は、
     前記検査対象配管に荷重が加えられる位置と、前記検査対象配管の正常部の前記管剛性変数と、前記検査対象配管の劣化部の管剛性変数と、前記管剛性変数の推定値と、前記検査対象配管の劣化部の位置との関数として表現される管剛性モデルと、
     前記検査対象配管の前記計測情報に含まれる荷重および変位を用いて算出される管剛性と、前記管剛性モデルを用いて算出される管剛性との誤差が最小となる前記管剛性変数の推定値を推定する曲線適合手段とを含む請求項2に記載の分析装置。
  4.  前記管剛性変数推定手段は、
     予め測定された前記検査対象配管の正常時の前記管剛性変数を参照し、参照した前記管剛性変数を前記管剛性モデルに当てはめて前記管剛性変数の推定値を推定し、
     前記引張強度推定手段は、
     予め取得された前記検査対象配管の前記管剛性変数と前記引張強度との相関関係に、前記管剛性変数推定手段によって推定される前記管剛性変数の推定値を当てはめて、前記検査対象配管の前記引張強度を推定する請求項3に記載の分析装置。
  5.  前記劣化度算出手段は、
     前記引張強度推定手段によって推定される前記引張強度と、予め取得された前記検査対象配管の正常時の前記管剛性変数との差分を前記劣化度として算出する請求項2乃至4のいずれか一項に記載の分析装置。
  6.  前記管剛性変数推定手段は、
     前記検査対象配管の肉厚と弾性係数とを前記管剛性変数として推定する請求項2乃至5のいずれか一項に記載の分析装置。
  7.  前記検査対象配管の正常時の前記管剛性変数が記憶される管情報記憶手段と、
     前記検査対象配管の前記弾性係数と前記引張強度との相関関係が記憶される強度記憶手段とを有する請求項6に記載の分析装置。
  8.  請求項1乃至7のいずれか一項に記載の分析装置と、
     前記検査対象配管に加えられる荷重を計測する荷重計測器と、前記検査対象配管に加えられる荷重に応じた変位を計測する変位計測器とを含み、前記荷重計測器によって計測された荷重に関する荷重情報と、前記変位計測器によって計測された変位に関する変位情報とを含む前記計測情報を前記分析装置に送信する計測装置とを備える診断システム。
  9.  検査対象配管に加えられた荷重と、前記検査対象配管に加えられた荷重に応じた変位とを含む計測情報に基づいて前記検査対象配管の材料特性を算出し、
     算出された前記検査対象配管の材料特性に基づいて前記検査対象配管の劣化度を算出する診断方法。
  10.  検査対象配管に加えられた荷重と、前記検査対象配管に加えられた荷重に応じた変位とを含む計測情報に基づいて前記検査対象配管の材料特性を算出する処理と、
     算出された前記検査対象配管の材料特性に基づいて前記検査対象配管の劣化度を算出する処理とをコンピュータに実行させるプログラムを記録させたプログラム記録媒体。
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